大连化物所&京都大学，EES Solar：协同相位-界面调控实现绿色溶剂制备含溴钙钛矿超低电压损失

第一作者：周薄，Truong Minh Anh

通讯作者：刘劼玮*，Atsushi Wakamiya（若宫淳志）*

单位：中国科学院大连化学物理研究所，京都大学化学研究所

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的发展面临着长期稳定性与光电性能相互制约的矛盾。目前高效器件多依赖氯苯（CB）等有毒反溶剂，存在健康与环境隐患；而面向叠层应用的含溴（Br）宽带隙钙钛矿虽然前景广阔，但往往受限于严重的相位分离，导致电压损失（VOC loss > 0.45 V）居高不下。异丙醇（IPA）作为一种绿色、低成本的反溶剂，虽能诱导形成具有高稳定性的(111)取向薄膜，但其极快的萃取速率容易导致薄膜表面损伤和皱褶，且在含溴体系中极易引发深层缺陷和非辐射复合。如何在使用绿色溶剂的同时克服含溴钙钛矿的电压损失瓶颈，是实现高效、环保光伏器件的关键挑战。针对这一难题，中国科学院大连化学物理研究所刘劼玮副研究员与日本京都大学Atsushi Wakamiya教授合作，提出了一种“协同相位-界面调控”策略，成功解决了绿色反溶剂IPA在含溴钙钛矿中应用的技术壁垒。

近日，中国科学院大连化学物理研究所刘劼玮副研究员联合日本京都大学Atsushi Wakamiya（若宫淳志）教授，在EES姊妹刊EES Solar上发表了题为“Cooperative phase-interface modulation enabling ultralow voltage loss in bromide-containing perovskite solar cells with isopropanol as an antisolvent”的研究论文（周薄，Truong Minh Anh共同一作）。该工作针对IPA反溶剂结晶速率过快和含溴钙钛矿易发生相分离的挑战，开发了一种协同相位-界面调控策略。通过在体相引入具有特定分子构型的二元添加剂（IPA/iPAmCl），并配合新型氟化分子（CF₃PMAI）进行表面钝化，研究团队首次揭示了IPA驱动的(111)晶面取向与δ-FAPbI₃之间的拓扑相关性。该策略不仅实现了高质量(111)取向薄膜的可控生长，还通过构建p-n同质结显著提升了准费米能级分裂。最终，基于1.62 eV带隙的钙钛矿器件实现了1.24 V的超高开路电压（VOC损失仅为0.38 V）和24.33%的光电转换效率，且在3000小时老化测试中保持了极佳的稳定性。

作者利用原位XRD和PL技术深入解析了IPA作为反溶剂的结晶动力学。研究发现，不同于氯苯（CB）处理下形成的(100)取向，IPA能通过与FA⁺的氢键作用稳定(002)取向的δ-FAPbI₃中间相，进而通过拓扑匹配诱导转化为(111)取向的α-FAPbI₃。然而，IPA极易导致结晶过快和表面损伤。为此，作者引入了具有“伞状”结构的二元添加剂（IPA和iPAmCl）。这种添加剂组合不仅延缓了结晶速率，使得晶体生长从“快速爆发”转变为可控的奥斯瓦尔德熟化过程，还有效修复了体相缺陷，在保留(111)优势取向的同时显著提升了薄膜质量。

针对含溴钙钛矿在光照下易发生卤素相分离（LIPS）的问题，作者引入了新型钝化剂三氟甲基苄胺氢碘酸盐（CF₃PMAI）。DFT计算和实验表征表明，CF₃PMAI分子具有极强的偶极矩（17.73 Debye）和富电子的-CF₃基团，能够强效锚定在钙钛矿表面。这种处理不仅物理上重构了被IPA损伤的表面，填补了碘/溴空位，还通过强相互作用抑制了离子迁移，从而有效消除了光致相分离现象。3D TOF-SIMS结果直观地证实了处理后薄膜在纵向分布上的均匀性，避免了局部富碘或富溴区域的形成。

该研究的一个核心发现是成功构建了“p-n晶面同质结”。通过UPS和KPFM分析，作者证实未经处理的(111)取向钙钛矿体相表现为p型特征，而经过CF₃PMAI处理后的表面层转变为n型。这种由表面偶极效应诱导的p-to-n转变，在钙钛矿薄膜内部形成了一个自发的p-n同质结。该内建电场与能级排列的优化显著增强了载流子的提取效率，并大幅抑制了非辐射复合。得益于此，器件的准费米能级分裂（QFLS）得到有效提升，最终在1.62 eV的宽带隙下实现了仅0.38 V的电压损失，这一数值接近Shockley-Queisser理论极限的93%，是目前IPA处理器件中的最优值之一。

本研究通过“协同相位-界面调控策略”策略，成功将绿色溶剂IPA应用于高制备难度的含溴钙钛矿体系，打破了环保制备与高性能之间的壁垒。该工作不仅阐明了IPA诱导(111)取向的微观机理，还提出了一种通用的表面p-n同质结设计思路来最小化电压损失。这一成果为未来开发可应用于叠层电池顶电池的高效、稳定且环境友好的钙钛矿光伏器件提供了重要的理论指导和技术路径。

Cooperative phase-interface modulation enabling ultralow voltage loss in bromide-containing perovskite solar cells with isopropanol as an antisolvent

刘劼玮副研究员简介：中国科学院大连化学物理研究所，太阳能光电转化与利用全国重点实验室副研究员。2012年本科毕业于清华大学物理系，2016年博士毕业于牛津大学凝聚态物理系（导师Henry Snaith教授），之后于京都大学若宫淳志教授课题组从事博士后研究工作。2020年加入中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部任副研究员。入选中国科学院大连化学物理研究所“优秀青年博士人才”项目，辽宁省“兴辽英才计划”博士后储备人才项目。主要从事钙钛矿材料及光伏器件的开发研究，以及钙钛矿电池光生电荷演化机制的探索研究。

周薄：2019年本科毕业于厦门大学化学化工学院，2025于中国科学院大连化学物理研究所太阳能研究部获得理学博士学位。研究内容为钙钛矿光伏材料结晶过程的分析调控方法，以及多晶薄膜晶体结构与光电性质的分析表征。已在Energy & Environmental Science, Nano Energy, ACS Applied Materials & Interfaces等刊物发表多篇相关研究文章。

课题组网站 http://www.canli.dicp.ac.cn/index.htm

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